青藏高原FY-3C衛星積雪產品評估

閔文彬，彭駿，李施穎

(1.中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川重點實驗室，成都 610071； 2.四川省氣象探測數據中心，成都 610071)

0 引言

積雪作為冰凍圈的重要組成之一，在氣候變化和水資源中扮演著重要角色。積雪的累積和消融影響水資源循環，積雪的高反射率、低導熱率特性影響地表能量平衡和氣候系統變化。因此,準確、及時掌握積雪的時空變化對于氣候變化預測、水資源管理等至關重要。目前,積雪觀測數據主要來自傳統的地面站點觀測和衛星遙感觀測。在我國青藏高原地區，積雪觀測站點少，空間分布不均勻，觀測時間不連續，不足以提供區域積雪分布和變化特征信息。衛星遙感成為該地區積雪監測的理想手段，能夠實現對積雪宏觀、快速和周期性的監測。人們可利用光學遙感數據提取雪蓋信息[1-6]，利用微波遙感數據反演雪深和雪水當量[7-10]，及時掌握研究區的積雪動態，認識研究區的積雪和雪水當量的時空分布特征[11-13]。然而，可見光遙感依賴于太陽光，受云層影響嚴重，在天空有云狀況下無法工作； 被動微波遙感雖具有穿透性及全天候工作特點，不受天氣狀況的影響，但空間分辨率低，主要用于全球雪深、積雪覆蓋范圍和雪水當量的研究，在區域性的積雪動態監測和積雪研究中，衛星遙感積雪產品精度還有許多需要改進的地方，不同傳感器、不同反演算法之間存在較大偏差[14-20]。所以，目前遙感積雪產品在區域性應用之前，必須經過真實性檢驗和精度評估，它是評價遙感產品質量、可靠性和適用性的唯一手段，是提高遙感產品精度、改善遙感產品質量的主要依據，更是推動遙感產品應用范圍和應用水平的重要保障。

我國風云三號系列氣象衛星不僅提供遙感觀測資料，還提供大量的業務化產品，包括積雪監測產品，并實現了廣泛的數據共享。本研究以地面積雪觀測數據為參考，開展FY-3C多儀器融合數據的積雪覆蓋產品(multi-sensor synergy snow cover, MULSS_SNC)和微波成像儀的雪深雪水當量產品(microwave radiation imager snow water equivalent, MWRIX_SWE)在青藏高原地區的精度檢驗和評估分析，這對于風云三號氣象衛星積雪產品在研究區的應用是必不可少的，具有非常重要的意義。

1 數據與評估方法

1.1 數據來源

本文使用的衛星反演積雪產品取自國家氣象科學數據共享服務平臺(http: //data.cma.cn/site/index.html)，要檢驗的FY-3C多儀器融合的積雪覆蓋產品(MULSS _SNC)空間分辨率為1 km，FY-3C微波成像儀的雪深和雪水當量產品(MWRIX_SWE)空間分辨率為25 km。作為檢驗參考值的地面積雪觀測數據取自全國綜合氣象信息共享平臺(China integrated meteorological information sharing system, CIMISS)，包括西藏、青海和四川境內的118個氣象臺站，臺站分布見圖1，海拔跨度較大，從1 370 m到4 800 m。

1.2 評估方法

1.2.1 地面觀測參考值

根據地面雪深觀測規范，當氣象站四周視野地面被雪覆蓋超過一半時觀測雪深，當雪深達到或超過5 cm時觀測雪壓。臺站雪深觀測記錄為99990表示有少量積雪，地面積雪深度觀測記錄為0表示氣象站四周視野地面被雪覆蓋超過一半，但雪深不足0.5 cm。本文把臺站雪深觀測記錄為99990和0，即有少量積雪或雪深不足0.5 cm的氣象站對應的衛星像元看作部分積雪像元，把雪深觀測記錄大于或等于0.5 cm的氣象站對應的衛星像元看作積雪像元，把無積雪氣象站對應的衛星像元看作陸地像元。

1.2.2 衛星積雪覆蓋產品評估

以氣象站積雪觀測數據作為參考，主要對MULSS _SNC和MWRIX_SWE的積雪和陸地像元進行積雪覆蓋有/無驗證。將FY-3C積雪產品正確判識的積雪像元數記為Na、誤判為積雪的像元數記為Nb、漏判的積雪像元數記為Nc，FY-3C積雪產品正確判識的陸地像元數記為Nd，則有[10]

衛星產品判識的總體精度為：

(1)

對衛星判識結果而言，衛星產品雪蓋判識準確率為：

(2)

對地面積雪觀測而言，衛星產品雪蓋判識召回率為：

上世紀九十年代，隨著中國企業實力的不斷增強，大型國企開始了“走出去”的步伐。一些大型國企如中國石油、中國石化、中國電網、中國建設、中國鐵路等，在“走出去”的過程中，在國際同類行業中逐步獲得較高知名度，成為全球500 強中很具實力的知名企業，成為全球經濟可持續發展的重要推動力量，成為中國深度參與全球治理，對外展示文明大國、東方大國、負責任大國和社會主義大國形象最活躍、最典型的代言人。總結國有企業在海外的形象主要呈現了三個方面的特點：

(3)

衛星產品雪蓋誤判率為:

(4)

衛星產品雪蓋漏判率為:

(5)

1.2.3 衛星反演雪深和雪水當量產品評估

研究認為地面雪深和雪壓觀測值為真值，對觀測點所對應衛星像元的雪深和雪水當量作驗證與評估，雪水當量=雪壓/水的密度。參照中華人民共和國氣象行業標準中的氣象衛星定量產品質量評價指標內容，本文選取的評價指標有：

1)平均偏差Bias。是指待評估衛星反演產品數據與對應地面觀測數據差值的平均值，即

(6)

2)平均絕對誤差MAE。是將衛星反演產品數據與對應地面觀測數據差值取絕對值后再求平均值，即

(7)

3)均方根誤差RMSE。反映待評估衛星反演產品數據對應地面觀測數據的偏差，即

(8)

4)相關系數Corr。反映待評估衛星反演產品數據對地面觀測數據之間的相關關系密切程度，即

(9)

5)平均相對誤差MRE。即

(10)

2 FY-3C積雪產品評估分析

2.1 MULSS_SNC雪蓋產品

表1為MULSS_SNC判別結果，2018年10月—2019年4月118個臺站共有25 016個地面觀測樣本。

表1 MULSS_SNC判識結果Tab.1 The identification results of MULSS_SNC

假設MULSS_SNC雪蓋產品的云像元判識準確，不考慮衛星誤將積雪判識為云的情況，也不評估部分積雪的混合像元情況，只對2 270個積雪和陸地衛星像元進行評估。根據公式(1)-(5)可計算出，MULSS_SNC雪蓋產品總體精度為75.37%、雪蓋判識準確率為87.18%、召回率為66.67%、雪蓋誤判率為12.81%、漏判率為33.33%。部分積雪像元只有2.63%被判識為積雪像元，97.37%被判識為無雪的陸地像元。

2.2 MWRIX_SWE積雪判識

將MWRIX_SWE產品的反演值大于0的衛星像元作為積雪像元看待，利用地面積雪觀測數據對其有/無積雪判識準確率進行分析。從表2可見，有9 121個衛星像元缺數據，參與評估的只有15 895個像元。MWRIX_SWE產品判識有4 085個積雪像元，其中998個積雪像元與地面觀測一致，誤判382個，判識的2 705個積雪像元對應地面為部分積雪； MWRIX_SWE產品判識的陸地像元有11 810個，其中漏判了1 013個積雪像元，正確判識陸地像元613個，將10 184個部分積雪像元判識為了陸地。去掉缺數據的衛星像元，只統計參與評估的數據，根據公式(1)-(5)計算出，MWRIX_SWE產品總體精度為53.59%； 積雪像元判識準確率為72.32%、召回率為49.63%、誤判率為27.68%、漏判率為 50.37%。79.01%的部分積雪像元被判識為陸地。

表2 MWRIX_SWE判識結果Tab.2 The identification results of MWRIX_SWE

2.3 不同深度的積雪判識

表3給出了FY3C積雪產品不同積雪深度的檢驗結果，表中不同深度積雪判識的召回率、漏判率和漏判百分比都是針對地面觀測樣本而言的，漏判百分比為某一深度的衛星漏判的積雪像元數占衛星漏判的積雪像元總數的比例。從分析結果可見，積雪深度在[0.5,1]cm的有460個像元，MULSS_SNC產品正確判識出168個，漏掉292個，積雪判識召回率只有36.52%，漏判率高達63.48%，漏判數占總漏判像元數的67.59%； 積雪深度在(1,2] cm之間的185個像元中，MULSS_SNC產品正確判識出116個，漏掉69個，判識召回率為62.70%，漏判率為37.30%，漏判百分比為15.97%； 當積雪深度達到2 cm以上時，MULSS_SNC產品對不同深度的雪蓋判識召回率都達到80%以上，漏判率小于20%。積雪深度2 cm以上的651個像元中，MULSS產品正確判識出580個，漏掉71個，判識召回率達到89.09%，漏判率為10.91%，漏判百分比為16.44%。

由表3對參與評估的2 011個MWRIX_SWE像元的分析結果可見，積雪深度在[0.5,1] cm的有723個像元，MWRIX_SWE產品正確判識出238個，漏掉485個，判識召回率只有32.92%，漏判率高達67.08%，漏判數占總漏判像元數的47.88%； 積雪深度在(1,2] cm之間的286個像元中，MWRIX_SWE產品正確判識出125個，漏掉161個，判識召回率為43.71%，漏判率為56.29%，漏判百分比為15.89%； 積雪深度在(2,3] cm之間的214個像元中，MWRIX_SWE產品正確判識出101個，漏掉113個，判識召回率為47.20%，漏判率為52.80%，漏判百分比為11.15%。MWRIX_SWE對積雪深度在3 cm以下的積雪像元漏報率很高，超過了50%。積雪深度5 cm以上1 002個像元中，MWRIX_SWE產品正確判識出635個，漏掉367個，判識召回率達到63.37%，漏判率36.63%，漏判百分比36.23%。

表3 不同積雪深度的FY-3C積雪產品檢測結果Tab.3 The evaluation results of FY3C snow cover products with different snow depth

圖2 FY3C積雪產品不同積雪深度的漏判率Fig.2 The missing rate of FY3C snow coverproducts with different snow depth

通過表4和圖2的MULSS_SNC和MWRIX_SWE產品檢驗結果對比可見，對于相同深度的積雪像元，MULSS_SNC產品雪蓋判識召回率都比MWRIX_SWE產品的高，漏報率低； 當積雪深度達到2 cm以上時，MULSS_SNC產品雪蓋判識召回率接近90%，比MWRIX_SWE高出25%，漏報百分比低50%。

2.4 MULSS_SNC與MWRIX_SWE積雪合成產品雪蓋判識準確率

假如MWRIX_SWE衛星像元地表單一，將其25 km像元反演值均勻插值到1 km，與MULSS_SNC產品空間匹配，利用MWRIX_SWE監測的積雪像元替代MULSS_SNC的云像元，減小MULSS_SNC產品的云影響，得到MULSS_SNC和MWRIX_SWE合成產品。從表4可見，合成積雪產品總體精度為64.85%、雪蓋判識準確率為83.08%、召回率為61.54%、誤判率為16.92%、漏判率為38.46%，將89.77%的部分積雪像元判為陸地像元。雖然雪蓋合成產品的精度不比MULSS_SNC高，但能判識出的積雪像元明顯多于單一用MULSS_SNC和MWRIX_SWE的判識結果，可在一定程度上彌補MULSS_SNC的云和MWRIX_SWE無數據的影響，獲得更多的積雪信息。當然，MULSS_SNC和MWRIX_SWE產品不同分辨率的空間匹配勢必造成判識結果差異，這里將微波與光學產品簡單結合應用，只是下一步工作的思路測驗而已。

表4 MULSS_SNC和MWRIX_SW合成的雪蓋產品的判識結果Tab.4 The identification results of synthetic productsof MULSS_SNC and MWRIX_SWE

2.5 MWRIX_SWE的雪深和雪水當量定量分析

由圖3的地面觀測與衛星反演雪深散點圖可知，當地面雪深達到60 cm以上時，MWRIX_SWE反演雪深值卻不足10 cm，嚴重偏小； 反之，MWRIX_SWE反演雪深值達到60 cm以上時，地面觀測值也不足10 cm。即，不論是地面觀測還是衛星反演雪深達到60 cm以上，二者偏差都達到50 cm以上，偏差很大。而且地面觀測與衛星反演雪深的判定系數R2為0.022 8，說明二者沒有正相關關系。將地面雪深數據作為參考值，誤差分析得知，MWRIX_SWE反演雪深的平均偏差為6.05 cm，偏差值范圍-151 cm～72.4 cm； 絕對誤差為11.76 cm； 均方根誤差18.41 cm； 平均相對誤差高達486.16%。

圖3 地面觀測與MWRIX_SWE雪深散點圖Fig.3 The scatter map of snow depth fromground observation and MWRIX_SWE

接下來，在998組MWRIX_SWE積雪對比數據中，剔除出衛星反演或地面觀測積雪深度大于60 cm的25組數據，對余下973組數據進行統計分析，偏差范圍在-37～27.4 cm，平均偏差為7.54 cm； 絕對誤差為9.78 cm； 相關系數為-0.04。圖4為60 cm以下地面觀測與衛星反演雪深散點圖，從中可以看出，地面觀測與衛星反演雪深值之間相關性仍然不好。誤差和相關分析結果都表明MWRIX_SWE的雪深產品在青藏高原地區不可直接使用。分析結果表明，被動微波積雪產品不受天氣狀況的影響，但空間分辨率低，主要用于全球雪深、積雪覆蓋范圍和雪水當量的研究，在區域性的積雪動態監測中還存在較大偏差[12]。

圖4 60 cm以下地面觀測與衛星反演雪深散點圖Fig.4 The scatter map of snow depth from groundobservation and satellite inversion below 60cm

鑒于以上分析結果，目前FY3C衛星反演雪深產品可靠較差，而且地面雪壓觀測值與MWRIX_SWE的雪水當量值有效配對樣本數較少，只有22個，本文就不再定量評估雪水當量產品。

3 結論

利用青藏高原118個氣象站積雪觀測數據，對FY-3C的MULSS_SNC雪蓋產品和MWRIX_SWE雪深與雪水當量產品進行評估分析，得出如下結論：

1)MULSS_SNC產品的總體精度為75.37%，積雪判識準確率為87.18%，召回率為66.67%，雪蓋誤判率為12.81%，雪蓋漏判率為33.33%，97.37%的部分積雪混合像元被判識為無雪。

2)MWRIX_SWE產品對像元有無積雪判識的總體精度為53.59%，積雪像元判識準確率為72.32%，召回率為49.63%，雪蓋誤判率為27.68%，雪蓋漏判率為50.37%，79.01%部分積雪混合像元被判識為無雪。

3)利用MWRIX_SWE產品對MULSS_SNC產品進行消云處理后的雪蓋合成產品總體精度為64.85%、積雪準確率為83.08%、雪蓋召回率為61.54%、誤判率為16.92%、漏判率為38.46%，89.77%的部分積雪混合像元判識為無雪。

4)積雪深度在1 cm以下時，MULSS_SNC產品判識召回率只有36.52%，漏判率高達63.48%，漏判數占總漏判像元數的67.59%； 積雪深度達2 cm以上時，MULSS_SNC產品判識召回率達到89.09%，漏判率為10.91%，漏判百分比為16.44%。

5)積雪深度在1 cm以下時，MWRIX_SWE產品判識召回率只有32.92%，漏判率高達67.08%，漏判百分比為47.88%； 積雪深度在3 cm以下時，漏報率都很高，超過了50%。積雪深度達到5 cm以上時，判識召回率才達到63.37%，漏判率為36.63%，漏判百分比為36.23%。

6)MWRIX_SWE衛星反演雪深的平均偏差為6.05 cm，偏差值范圍-151～72.4 cm； 絕對誤差為11.76 cm； 均方根誤差18.41 cm； 平均相對誤差高達486.16%； 衛星反演雪深值與地面觀測值之間相關系數為-0.15； 不論是地面觀測值，還是MWRIX_SWE衛星反演雪深值達到60 cm以上，二者偏差都達到50 cm以上。